В Южной Корее ученые разработали передовой катализатор, способный превращать углекислый газ – один из основных парниковых газов – в ключевой компонент для производства экологически чистого топлива. Это достижение принадлежит команде доктора Ки Янг Ку из Отдела исследований водорода Корейского института энергетических исследований (KIER).
Основа нового метода – реакция обратного водяного сдвига (RWGS), химический процесс, в ходе которого углекислый газ (CO2) взаимодействует с водородом (H2) в реакторе, образуя угарный газ (CO) и воду (H2O). Полученный угарный газ затем может быть объединен с водородом для создания синтез-газа – базового сырья для производства таких видов топлива, как метанол и так называемые е-топлива. Эти синтетические топлива, включая авиационное топливо, получаемое из возобновляемой электроэнергии и уловленного CO2, считаются перспективной альтернативой ископаемым энергоресурсам. Способность реакции RWGS перерабатывать CO2 в пригодные для использования компоненты топлива делает ее важным направлением в развитии устойчивой энергетики.
Традиционно реакция RWGS эффективно протекает при высоких температурах – свыше 800 °C. Для этих условий часто применяются катализаторы на основе никеля, но со временем они теряют свою эффективность из-за слипания частиц, что уменьшает площадь их поверхности. Снижение рабочей температуры позволяет избежать этой проблемы, однако приводит к образованию нежелательных побочных продуктов, таких как метан, что уменьшает выход целевого угарного газа.
Чтобы сделать процесс более экономичным и рентабельным, ученые по всему миру искали катализаторы, активно работающие при более низких температурах. Команда KIER добилась успеха, создав новый катализатор на основе меди, который демонстрирует выдающиеся результаты всего при 400 °C.
Разработанный смешанный оксидный катализатор на основе меди, магния и железа значительно превзошел коммерческие аналоги. При температуре 400 °C он ускорил производство угарного газа в 1,7 раза, а его выход увеличился в 1,5 раза по сравнению с обычными медными катализаторами.
Медные катализаторы имеют ключевое преимущество перед никелевыми: при температурах ниже 400 °C они могут избирательно синтезировать только угарный газ, не образуя метан. Однако их термическая стабильность обычно снижается в этом температурном диапазоне, приводя к агломерации частиц и потере активности. Для решения этой проблемы команда доктора Ку включила в структуру катализатора слоистый двойной гидроксид (LDH). Эта слоистая структура состоит из тонких металлических пластин, между которыми расположены молекулы воды и анионы. Путем регулирования соотношения и типа ионов металлов ученые точно настроили физические и химические свойства катализатора. Добавление железа и магния помогло заполнить пробелы между частицами меди, эффективно предотвратив их слипание и повысив термостойкость.
Анализ в реальном времени с использованием инфракрасной спектроскопии и тесты реакции показали, почему новый катализатор столь эффективен. Обычные медные катализаторы преобразуют CO2 в угарный газ через промежуточные соединения – формалиаты. Новый материал полностью обходит эти промежуточные стадии, превращая CO2 непосредственно в CO на своей поверхности. Избегая побочных реакций, приводящих к образованию метана или других нежелательных продуктов, катализатор сохраняет высокую активность даже при относительно низкой температуре в 400 °C.
При температуре 400 °C катализатор достиг выхода угарного газа в 33,4% и скорости образования 223,7 микромолей на грамм катализатора в секунду (мкмоль∙гкат⁻¹∙с⁻¹), демонстрируя стабильность более 100 часов непрерывной работы. Эти показатели превышают таковые для стандартных медных катализаторов в 1,7 раза по скорости образования и в 1,5 раза по выходу. Более того, новый катализатор превзошел по скорости образования в 2,2 раза и по выходу в 1,8 раза даже дорогостоящие, но высокоактивные платиновые катализаторы. Эти достижения выводят его в число мировых лидеров среди катализаторов для преобразования CO2.
«Технология низкотемпературного катализатора для гидрирования CO2 – это прорыв, позволяющий эффективно производить угарный газ с использованием недорогих и широко доступных металлов», – заявил доктор Ки Янг Ку, руководитель проекта. Он отметил, что разработка может быть непосредственно применена для производства ключевых компонентов устойчивых синтетических топлив. Ученые планируют продолжить исследования, чтобы расширить применение технологии в промышленных масштабах, способствуя достижению углеродной нейтральности и коммерциализации производства экологически чистого топлива.
Результаты этого исследования, поддержанного научно-исследовательским проектом KIER по разработке технологии производства e-SAF (устойчивого авиационного топлива) из углекислого газа и водорода, были опубликованы в мае 2025 года в ведущем научном журнале Applied Catalysis B: Environmental and Energy.
